高压氮化镓绝缘栅型光电导开关的关键工艺研究

发布时间：2020-05-01 22:49

【摘要】：与SiC相比,GaN具有更宽的带隙、更短的载流子寿命,更高的饱和电子漂移速度等特点,是目前发展高压、高频、高功率光电导开关器件的优选材料。目前暗态高阻(半绝缘)的GaN晶圆是通过掺铁补偿的氢化物气相外延生长工艺得到的。用它制作成的传统纵向型结构光电导开关,因为暗态漏电流问题,实际耐压能力远远小于本征GaN的理论值。因此本文研究一种集成了金属-绝缘层-半导体场效应晶体管和稳压二极管工作原理的光电导开关新型结构——绝缘栅型光电导开关,具体设计了一个耐压20kV量级u形沟槽绝缘栅型半绝缘GaN:Fe光电导开关器件,并通过仿真和实验研究了其中一些关键制造参数和工艺。本文首先调研了当前GaN材料生长与器件制造工艺水平,综合考虑后确定该器件制作流程。其次,基于SilvacoTCAD半导体工艺仿真工具模拟该器件,再用半导体器件物理仿真工具分析其伏安特性、静态分压阈值、栅压控制动态电压转移的预开通特性、532nm激光脉冲触发等特性。然后,然后,通过不断对各外延层生长厚度、浓度、栅绝缘层厚度和栅槽刻蚀形状等参数进行优化,使该器件直流耐压达到23kV且其电触发区和光触发区的静态分压比达到3:20。最后,与传统纵向型半绝缘GaN:Fe光电导开关的仿真对比结果表明,由于空间电荷区作用使得绝缘栅型光电导开关的漏电流明显地被抑制;并且由于具有电触发区与光触发区的动态分压机制,使得绝缘栅型光电导开关的光电流脉冲峰值略高,即其栅压控制的动态分压机制能在一定程度上提高激光能量利用率。沟槽刻蚀和激光耦合是U形沟槽绝缘栅型光电导开关器件的两个关键工艺,因此本文对GaN晶体进行了湿法、干法刻蚀实验,初步验证了 GaN可被90℃、4M的KOH溶液腐蚀且Si3N4作为硬掩膜有效,且GaN可被450eV的氩等离子体刻蚀且刻蚀速率为2.07nm/min。本文还对GaN:Fe衬底进行了重复频率为1kHz、波长为532nm的激光实验,确定了入射晶面和光斑整形等激光耦合优化方案。
【图文】：

图 1-1 300K 时 Si、SiC、GaAs、GaN 的电子漂移速度与电场的关系【10-11】Fig. 1-1 Relationship between electron drift velocity and electric field of Si, SiC, GaAsand GaN at 300K【10-11】008 年，密苏里大学哥伦比亚分校的 Gyawali【12】报道了对 GaN:Fe PCSS 以及的研究，仿真结果表明，GaN:Fe PCSS 由于其高捕获截面，电压最大限制在结构的 SiC:V PCSS 则为 38kV。另外，与 SiC:V PCSS 相比，GaN:Fe PCSS时间更好，更适合制作光电导开关。但是它们缺乏合适的半绝缘 GaN 材料SiC:V PCSS制作了半导体开关得到的实验结果与GaN光电导开关仿真结果析。近几年，美国 Kyma 公司、美国加利福尼亚大学等一直在研究半绝缘 质，直到 Kyma 公司完善了在蓝宝石基底上用氢化物气相外延法生长 GaN，制作出了低缺陷密度的 2 英寸半绝缘 GaN，并首次将其商品化。2013 年美国司报道了国际首例高压 GaN:Fe 光电导开关实验研究。其开关具有低导通电）和短载流子复合时间<160ps，但是其最大耐压（120kV/cm）远低于本征禁理论值（3MV/cm）【13】。另外，该文献报道了（见图 1-2）当分别使用 160 532nm 激光器对 GaN:Fe 光电导开关进行触发时，其最小导通电阻分别约为

ionship between electron drift velocity and electric field of Si, Sand GaN at 300K【10-11】大学哥伦比亚分校的 Gyawali【12】报道了对 GaN:Fe果表明，GaN:Fe PCSS 由于其高捕获截面，电压最 PCSS 则为 38kV。另外，与 SiC:V PCSS 相比，GaN适合制作光电导开关。但是它们缺乏合适的半绝缘作了半导体开关得到的实验结果与GaN光电导开关美国 Kyma 公司、美国加利福尼亚大学等一直在研a 公司完善了在蓝宝石基底上用氢化物气相外延法陷密度的 2 英寸半绝缘 GaN，并首次将其商品化。2首例高压 GaN:Fe 光电导开关实验研究。其开关具有复合时间<160ps，但是其最大耐压（120kV/cm）远低/cm）【13】。另外，该文献报道了（见图 1-2）当分别对 GaN:Fe 光电导开关进行触发时，其最小导通电
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM564

【参考文献】

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本文编号：2647149